28(19). Фазы и структуры на диаграмме состояния железо-цементит

Диаграммы состояния строятся в координатах «концентрация – температура» и дают наглядное представление о фазовом составе сплавов; структурных превращениях, происходящих при нагреве и охлаждении; используются для выбора температуры при термической обработке и т. п. Для анализа превращений, происходящих в сталях и чугунах важнейшее значение имеет диаграмма состояния железо – цементит(рис. 28.1).

Рис. 28.1. Диаграмма состояния железо – цементит

На этой диаграмме АВСDявляется линиейликвидуса; ниже ее начинается кристаллизация. Точка с минимальной температурой кристаллизации (плавления), соответствующая 4,3 %С, называетсяэвтектикой(от лат. «легкоплавкий»), после затвердевания сплава ей соответствует структура ледебурита. Аналогичная точка 0,81 %С, где превращение происходит в твердом виде, называетсяэвтектоид, ей соответствует структура перлита.АHJЕСFD– линиясолидуса; на этой линии кристаллизация заканчивается, и ниже ее все образовавшиеся фазы являются твердыми.

Диаграмма состояния железо-цементит объединяет 6 структурных составляющих, включая в себя 4 фазы (жидкость, феррит, аустенит, цементит) и 2 механические смеси (перлит и ледебурит).

Феррит(Ф) представляет собой твердый раствор углерода в α-железе. Это самая мягкая и пластичная структурная составляющая. Предельное содержание углерода в феррите при 727^оС (точкаР) около 0,02 %, а при комнатной температуре (точкаQ) – 0,01 %.

Аустенит(А) представляет собой твердый раствор углерода в γ-железе. Это более твердая и прочная структурная составляющая. Существует при температуре выше 727°С. Предельное содержание углерода (точкаЕ) – 2,14 %.

Цементит(Ц) – карбид железа – химическое соединениеFe₃C(6,67 %С) со сложной кристаллической решеткой, состоящей из ряда октаэдров (рис. 28.2), и является самой твердой и хрупкой структурной составляющей. По происхождению различают первичный цементит Ц_I– выделяющийся из жидкости по линииСD, вторичный Ц_II– из аустенита по линииЕS, третичный Ц_III– из феррита по линииРQ.

Рис. 28.2. Кристаллическая решетка цементита

Перлит³⁴(П) представляет собой механическую смесь феррита и цементита, содержащую в среднем 0,81 %С. Благодаря наличию цементита, он более прочен и тверд, чем феррит и аустенит.

Ледебурит³⁵(Л) является механической смесью феррита и цементита, содержащей в среднем 4,3 %С. Благодаря большей доле цементита он более тверд и хрупок, чем перлит.

Механические свойства основных структурных составляющих сталей и чугунов

	σв, МПа	σт, МПа	, %	, %	НВ, МПа	KCU, МДж/м2
Феррит	250–300	120	40–50	70–80	800–1000	2,5
Аустенит					1600–2000
Перлит	800–900	450	8–16	25–30	1800–2200	< 0,4
Ледебурит					6000
Цементит					8000

На линии ECFпроисходитэвтектическоепревращение, в результате которого при охлаждении образуются аустенит и цементит.

На линии PSKпроисходитэвтектоидноепревращение, в результате которого при охлаждении образуются феррит и цементит.

На линии HJBпроисходитперитектическоепревращение, в результате которого при охлаждении образуются δ-феррит и аустенит. Однако это высокотемпературное превращение не имеет отношения к практике термической обработки.

Феррит, аустенит, цементит, перлит и ледебурит являются важнейшими структурными составляющими сталей и чугунов, наблюдаемыми при микроскопическом анализе – рис. 28.3.

а б в

Рис. 28.3. Структура доэвтектоидной (а), эвтектоидной (б) и заэвтектоидной (в) стали после отжига